以下、添付図面を参照して、本発明を実� ��するための最良の形態を詳細に説明する。� ��お、図面の説明において同一の要素には同� ��の符号を付し、重複する説明を省略する。

 先ず、本発明に係る光源装置の第1実施形 態について説明する。図1は、本実施形態に� �る光源装置1の構成図である。この図に示さ� ��る光源装置1は、レーザ光源10、凸レンズ11� �凸レンズ12、アパーチャ13、ビームスプリッ� ��14、反射型の光位相変調素子15、ミラー16、� ��レンズ17および凸レンズ18を備える。また、 この図には、凸レンズ18から出力される光の� ��ーム断面における強度分布を観察するため� ��CCDカメラ19も示されている。

 レーザ光源10は、コヒーレントなレーザ� �を出力するものであり、例えばHe-Neレーザ光 源等である。レンズ11およびレンズ12は、ビ� �ムエクスパンダとして作用するものであっ� �、レーザ光源10から出力された光を入力し、 その光のビーム径を拡大して、該光を平行光 として出力する。アパーチャ13は、円形の開� ��を有し、レンズ11およびレンズ12から出力さ れた光を入力して、その光のビーム断面のう ち開口を通過する部分を出力する。ビームス プリッタ14は、アパーチャ13から到達した光� �一部を透過させて光位相変調素子15へ出力す るとともに、光位相変調素子15から到達した� ��の一部を反射させてミラー16へ出力する。

 光位相変調素子15は、レーザ光源10から出 力されてビームスプリッタ14を経た光を入力� ��、その光のビーム断面上の位置に応じて該� ��を位相変調して、その位相変調後の光をビ� ��ムスプリッタ14へ反射させる。光位相変調� �子15は、例えば、外部から入力される制御信 号に基づいて反射の際の各画素の位相変調量 が設定される素子(SLM: Spatial Light Modulator)で ある。光位相変調素子15としてSLMが用いられ� ��場合、位相変調量の空間的分布を電気的に� ��き込むことが可能であり、必要に応じて様� ��な位相変調分布を与えることができる。

 ミラー16は、ビームスプリッタ14から到達 した光を反射させて、その反射された光をレ ンズ17へ出力する。レンズ17およびレンズ18は 、ミラー16により反射された光を入力し、そ� ��光のビーム径を調整して、該光を平行光と� ��て出力する。CCDカメラ19は、レンズ17および レンズ18から出力された光を入力して、その� ��のビーム断面における光強度分布を検出す� ��。

 この光源装置1では、レーザ光源10から出� ��されたコヒーレントなレーザ光は、凸レン� ��11および凸レンズ12によりビーム径が拡大さ れた後、そのビーム断面の一部分がアパーチ ャ13の円形の開口を通過して、ビーム断面が� ��形とされ、さらにビームスプリッタ14を透� �して光位相変調素子15に入力される。光位相 変調素子15に入力された光は、この光位相変� ��素子15によりビーム断面上の位置に応じて� �相変調を受けて反射される。光位相変調素� �15により位相変調を受けて反射された光は、 ビームスプリッタ14により反射され、さらに� ��ラー16により反射され、凸レンズ17および凸 レンズ18によりビーム径が調整されて、CCDカ� ��ラ19の受光面に入射して、このCCDカメラ19に より光ビーム断面における光強度分布が検出 される。

 光位相変調素子15において反射光に与えら� �る位相変調量について更に詳細に説明する� �以下のとおりである。図2に示されるように� ��光位相変調素子15に入力される光のビーム� �面上において、所定位置を中心とするp個の� ��径r ₁ ~r _p の各円周によって区分される(p+1)個の領域A ₀ ~A _p を設定する。内側から順に領域A ₀ ,A ₁ ,A ₂ ,…,A _p とする。領域A ₀ は、半径r ₁ の円周の内側の領域である。領域A _i は、半径r _i の円周と半径r _i+1 の円周との間の領域である(i=1,2,3,…,p-1)。領� ��A _p は、半径r _p の円周の外側であって光ビーム(ウェスト半� �w)内の領域である。

 このとき、(p+1)個の領域A ₀ ~A _p それぞれの径方向の幅は、外側の領域ほど広 い。すなわち、半径r ₁ ~r _p の間に以下の関係式が成り立つ。なお、最も 内側にある領域A ₀ については、半径r ₁ を径方向の幅とする。

 さらに、(p+1)個の領域A ₀ ~A _p それぞれにおいて位相変調量は一定であり、 (p+1)個の領域A ₀ ~A _p のうち隣り合う2つの領域の間で位相変調量� �πだけ異なる。すなわち、偶数番目の領域A ₀ ,A ₂ ,A ₄ ,…それぞれの領域内における位相変調量φ ₀ は一定である。また、奇数番目の領域A ₁ ,A ₃ ,A ₅ ,…それぞれの領域内における位相変調量φ ₁ は一定である。そして、これら位相変調量φ ₀ と位相変調量φ ₁ とは互いにπだけ異なる。

 動径方向rについて設定されるべきp個の半� �r ₁ ~r _p の円周で表される位相不連続線は以下のよう に設定される。位相不連続線は、光強度が0� �なる部分(「節」)に存在する。LGモードの場� ��、光強度分布の節はSonine多項式の零点から� ��めることができる。つまり、下記(2)式で定� ��されるSonine多項式S _p ^q (z)が値0となる変数zの値を求める。なお、pは 、動径指数と呼ばれ、自然数である。また、 qは、偏角指数と呼ばれ、0以外の整数である� ��

 特に、本実施形態では偏角指数qは値0とさ� �る。このとき、上記(2)式は、下記(3)式で表� �れるLaguerre多項式となる。Laguerre多項式は、p 次の多項式であり、p個の異なる正の実数根a ₁ ~a _p を持つ。これらの根a _i と光ビームウェスト半径wとを用いれば、位� �不連続線の半径r _i は、下記(4)式で表される(i=1,2,3,…,p)。

 このような位相変調φ(r)を光位相変調素子15 により受けて反射された光は、動径指数がp� �偏角指数が0であるLGモード光となる。このLG モード光は、偏角変数θを固定したとき、位� ��不連続線を境界線として接する二つの領域� ��属する点における位相値がπの差を持つ。� �た、(p+1)個の領域A ₀ ~A _p それぞれの径方向の幅は、外側の領域ほど広 い。

 図3は、光位相変調素子15における位相変� ��量の分布の例を示す図である。同図(a)は、� ��径指数pを5とした場合の位相変調量の分布� �示す。また、同図(b)は、動径指数pを10とし� �場合の位相変調量の分布を示す。この図に� �いて、位相不連続線は上記の(3)式および(4)� �から得られたものであり、黒色の各領域で� �位相変調量が0であり、灰色の各領域では位� ��変調量がπである。各領域の径方向の幅は� �外側の領域ほど広い。

 図4は、光位相変調素子15における入射光お� ��び反射光それぞれのビーム断面における強� ��分布を示す図である。同図(a)は入射光の強� ��分布を示し、同図(b)は反射光の強度分布を� ��す。ここでは、動径指数pを13とした。すな� ��ち、同図(b)は、13次の動径指数を有するLGモ ード光の強度分布を示す。なお、同図(b)では 、光ビームの断面構造を観測し易くするため 、階調の補正を行っている。したがって、入 射光の強度分布(同図(a))と比較して、LGモー� �光である反射光の強度分布(同図(b))では、中 央スポット(最も内側にある領域A ₀ )が入射光と同程度の大きさに見えているが� �実際には非常に小さいスポットとなってい� �。

 このような高次動径指数を有するLGモード� �をレンズにより集光させた場合、ビームウ� �スト径を波長の半分程度よりも小さくする� �とは不可能である(回折限界)。しかし、LGモ� ��ド光の内部構造は保存されるので、集光点� ��において高次動径指数LGモード光の中央ス� �ット(領域A ₀ )は回折限界以下の大きさを有することにな� �。

 なお、中央スポット(領域A ₀ )の周囲に存在するリング(サイドローブ、す� ��わち、領域A ₁ ,A ₂ ,A ₃ ,…)は、ベッセルビームと同様の挙動を示し� ��ベッセルビームに関して確立されている技� ��を用いることにより、それらの影響を低減� ��せることも可能である。高次動径指数LGモ� �ド光に特有の性質としては、動径指数pを大� ��くするほど、中央スポット(領域A ₀ )の大きさを小さくすることが可能である点� �挙げられる。

 また、サイドローブ(領域A ₁ ,A ₂ ,A ₃ ,…)の広がりは、ベッセルビームでは理論的� ��無限であるのに対し、高次動径指数LGモー� �光では有限である。このことから、光学系� �径をサイドローブ全体が完全に含まれるよ� �に設定しておくことにより、より理想的な� �件のもとで高次動径指数LGモード光の特性を 利用することができる。

 次に、本発明に係る光源装置の第2実施形 態について説明する。図5は、第2実施形態に� ��る光源装置2の構成図である。この図に示さ れる光源装置2は、レーザ光源10、凸レンズ11� ��凸レンズ12、アパーチャ13、透過型の光位相 変調素子20、ミラー21、ミラー16、凸レンズ17� ��よび凸レンズ18を備える。また、この図に� �、凸レンズ18から出力される光のビーム断面 における強度分布を観察するためのCCDカメラ 19も示されている。図1に示された光源装置1� �構成と比較すると、この図5に示される光源� ��置2は、ビームスプリッタ14および反射型の� ��位相変調素子15に替えて、透過型の光位相� �調素子20およびミラー21を備える点で相違す� ��。

 光位相変調素子20は、レーザ光源10から出 力されてアパーチャ13の開口を通過した光を� ��力し、その光のビーム断面上の位置に応じ� ��該光を位相変調して、その位相変調後の光� ��ミラー21へ透過させる。光位相変調素子20は 、外部から入力される制御信号に基づいて透 過の際の各画素の位相変調量が設定される素 子(SLM)である。光位相変調素子20としてSLMが� �いられる場合、位相変調量の空間的分布を� �気的に書き込むことが可能であり、必要に� �じて様々な位相変調分布を与えることがで� �る。ミラー21は、光位相変調素子20から透過� ��れて出力された光を反射させて、その反射� ��た光をミラー16へ出力する。

 この光源装置2では、レーザ光源10から出� ��されたコヒーレントなレーザ光は、凸レン� ��11および凸レンズ12によりビーム径が拡大さ れた後、そのビーム断面の一部分がアパーチ ャ13の円形の開口を通過して、ビーム断面が� ��形とされ、光位相変調素子20に入力される� �光位相変調素子20に入力された光は、この光 位相変調素子20によりビーム断面上の位置に� ��じて位相変調を受けて透過される。光位相� ��調素子20により位相変調を受けて透過され� �光は、ミラー21およびミラー16により反射さ� ��、凸レンズ17および凸レンズ18によりビーム 径が調整されて、CCDカメラ19の受光面に入射� ��て、このCCDカメラ19により光ビーム断面に� �ける光強度分布が検出される。

 透過型の光位相変調素子20において透過光� �与えられる位相変調量は、反射型の光位相� �調素子15において反射光に与えられる位相変 調量と同様である。すなわち、光位相変調素 子20に入力される光のビーム断面上において� ��所定位置を中心とするp個の半径r ₁ ~r _p の各円周によって区分される(p+1)個の領域A ₀ ~A _p を設定する。内側から順に領域A ₀ ,A ₁ ,A ₂ ,…,A _p とする。このとき、(p+1)個の領域A ₀ ~A _p それぞれの径方向の幅は、外側の領域ほど広 い。すなわち、半径r ₁ ~r _p の間に上記(1)式が成り立つ。さらに、(p+1)個� ��領域A ₀ ~A _p それぞれにおいて位相変調量は一定であり、 (p+1)個の領域A ₀ ~A _p のうち隣り合う2つの領域の間で位相変調量� �πだけ異なる。そして、動径方向rについて� �定されるべきp個の半径r ₁ ~r _p の円周で表される位相不連続線は、上記の(3) 式および(4)式で得られる。

 このように構成される光源装置2においても 、図3に示されたような光位相変調素子20にお ける位相変調量の分布が可能であり、また、 図4に示されたような光位相変調素子20におけ る入射光および反射光それぞれのビーム断面 における強度分布が可能である。そして、光 源装置2においても、集光点上において高次� �径指数LGモード光の中央スポット(領域A ₀ )は回折限界以下の大きさを有することがで� �る。

 次に、本発明に係る観察装置の実施形態� ��ついて説明する。図6は、本実施形態に係る 観察装置3の構成図である。この図に示され� �観察装置3は、被観察物8を観察する装置であ って、図1に示された構成のうちCCDカメラ19を 除いた光源装置1の構成に加えて、走査型顕� �鏡を構成する構成要素として、ミラー30、ビ ームスプリッタ31、対物レンズ32、フィルタ33 、光検出器34、制御部35、表示部36および移動 ステージ37を更に備えている。

 ミラー30は、レンズ18から出力された光を 反射して、その反射した光をビームスプリッ タ31へ出力する。ビームスプリッタ31は、ミ� �ー30から到達した光を入力して該光を対物レ ンズ32へ透過させるとともに、対物レンズ32� �ら到達した光を入力して該光をフィルタ33へ 反射させる。対物レンズ32は、ビームスプリ� ��タ31から到達した光を入力して該光を被観� �物8の観察点へ集光照射する。すなわち、ミ� ��ー30からビームスプリッタ31を経て対物レン ズ32に到るまでの光学系は、光源装置1から出 力される光を被観察物8中の観察点に集光照� �する照射光学系を構成している。

 また、対物レンズ32は、該観察点への光� �集光照射に伴い生じる光を入力して該光を� �ームスプリッタ31へ出力する。フィルタ33は� ��ビームスプリッタ31から到達した光を入力� �て該光のうち特定波長域の光を選択的に光� �出器34へ透過させる。光検出器34は、フィル� ��33から到達した光を受光して該光の強度を� �出し、その検出した受光強度に応じた値の� �気信号を制御部35へ出力する。光検出器34は� ��高感度の光検出が可能な光電子増倍管であ� ��のが好適である。すなわち、対物レンズ32� �らビームスプリッタ31およびフィルタ33を経� ��光検出器34に到るまでの光学系は、照射光� �系による観察点への光の集光照射に伴い生� �る光を検出する検出光学系を構成している� �

 制御部35は、被観察物8を載置する移動ス� ��ージ37を移動させて、被観察物8中の観察点� ��位置を変更する。すなわち、制御部35およ� �移動ステージ37は、被観察物8中における観� �点を走査する走査部を構成している。

 また、制御部35は、空間光変調素子15にお ける光反射の際の各画素の位相変調量を設定 するための制御信号を空間光変調素子15に与� ��ることで、光源装置1から出力される光のビ ーム断面における光強度分布を上述の如く設 定する。さらに、制御部35は、光検出器34か� �出力された電気信号を入力し、この電気信� �の値と被観察物8中における観察点の位置情� ��とから被観察物8の2次元観察像を作成し、� �の像を表示部36により表示させる。

 この観察装置3では、光源装置1における� �レンズ17および凸レンズ18によりビーム径が� ��整されて出力された光は、そのビーム断面� ��において、所定位置を中心とするp個の円周 によって区分される(p+1)個の領域を設定した� ��きに、(p+1)個の領域それぞれの径方向の幅� �外側の領域ほど広く、(p+1)個の領域それぞれ において位相変調量が一定であり、(p+1)個の� ��域のうち隣り合う2つの領域の間で位相変調 量がπだけ異なるものとなっている。

 そして、凸レンズ18から出力された光は� �ミラー30により反射され、ビームスプリッタ 31を透過して、対物レンズ32により被観察物8� ��の観察点に集光照射される。この集光照射� ��伴い観察点で発生する光(散乱光や蛍光など )は、対物レンズ32を経て、ビームスプリッタ 31により反射され、フィルタ33を透過して、� �検出器34により受光される。その受光強度は 電気信号として光検出器34から出力される。

 また、対物レンズ32から被観察物8への光� ��集光照射の位置(観察点)は、制御部35および 移動ステージ37により走査される。この走査� ��より、被観察物8における各位置で発生した 光が光検出器34により受光される。そして、� ��御部35により、光検出器34から出力された電 気信号の値と、被観察物8中における観察点� �位置情報とから、被観察物8の2次元観察像が 作成される。その像は表示部36により表示さ� ��る。

 上述したように、光源装置1から出力される 高次動径指数を有するLGモード光を対物レン� ��32により集光させた場合、全体のビーム径� �波長の半分程度よりも小さくすることは不� �能であるが、LGモード光の内部構造は保存さ れる。したがって、観察装置3において、対� �レンズ32による集光点(観察点)の大きさ、す� ��わち、LGモード光の中央スポット(領域A ₀ )は、回折限界以下の大きさを有することに� �る。このことから、移動ステージ37による被 観察物8の走査ステップを、被観察物8への照� ��時のLGモード光の中央スポット(領域A ₀ )の大きさより小さくすることで、極めて高� �解像度で被観察物8を観察することができる� ��なお、移動ステージ37の駆動には、ピエゾ� �クチュエータ等を用いて行うのが望ましい� �

 なお、これまでに説明してきた観察装置3 は、走査型レーザ顕微鏡の構成を有していて 、観察点からの後方散乱光を対物レンズ32に� ��り集光し、フィルタ33を経由して光検出器34 により光検出するものである。このように散 乱光を検出する場合、フィルタ33の透過波長� ��は、照射レーザ光の波長を含むように設定� ��れる。光ピックアップ装置や走査レーザ検� ��鏡等も同様の構成で実現することができる� ��被観察物8を走査するのではなく、光源装置 1側を走査してもよい。走査レーザ検眼鏡で� �、光源装置1側を走査することが多い。走査� ��二光子顕微鏡も略同様の構成で実現するこ� ��ができ、この場合、フィルタ33の透過波長� �は、照射レーザ波長に対して1/2の波長成分� �透過するように設定される。また、これま� �に説明してきた観察装置3は落射照明方式の� ��のであったが、照射用の対物レンズと検出� ��の対物レンズとを被観察物を挟んで対向配� ��する構成とすることにより、透過照明方式� ��観察装置も実現することができる。光源装� ��1に替えて光源装置2が用いられてもよい。

 次に、本発明に係る加工装置の実施形態� ��ついて説明する。図7は、本実施形態に係る 加工装置4の構成図である。この図に示され� �加工装置4は、被加工物9を加工する装置であ って、図1に示された構成のうちCCDカメラ19を 除いた光源装置1の構成に加えて、ミラー30、 対物レンズ32、制御部35および移動ステージ37 を更に備えている。

 ミラー30は、レンズ18から出力された光を 反射して、その反射した光を対物レンズ32へ� ��力する。対物レンズ32は、ミラー30から到達 した光を入力して該光を被加工物9の加工点� �集光照射する。すなわち、ミラー30から対物 レンズ32に到るまでの光学系は、光源装置1か ら出力される光を被加工物9中の加工点に集� �照射する照射光学系を構成している。

 制御部35は、被加工物9を載置する移動ス� ��ージ37を移動させて、被加工物9中の加工点� ��位置を変更する。すなわち、制御部35およ� �移動ステージ37は、被加工物9中における加� �点を走査する走査部を構成している。また� �制御部35は、空間光変調素子15における光反� ��の際の各画素の位相変調量を設定するため� ��制御信号を空間光変調素子15に与えること� �、光源装置1から出力される光のビーム断面� ��おける光強度分布を上述の如く設定する。

 この加工装置9では、光源装置1における� �レンズ17および凸レンズ18によりビーム径が� ��整されて出力された光は、そのビーム断面� ��において、所定位置を中心とするp個の円周 によって区分される(p+1)個の領域を設定した� ��きに、(p+1)個の領域それぞれの径方向の幅� �外側の領域ほど広く、(p+1)個の領域それぞれ において位相変調量が一定であり、(p+1)個の� ��域のうち隣り合う2つの領域の間で位相変調 量がπだけ異なるものとなっている。そして� ��凸レンズ18から出力された光は、ミラー30に より反射され、対物レンズ32により被加工物9 中の加工点に集光照射される。また、対物レ ンズ32から被加工物9への光の集光照射の位置 (加工点)は、制御部35および移動ステージ37に より走査される。

 上述したように、光源装置1から出力される 高次動径指数を有するLGモード光を対物レン� ��32により集光させた場合、全体のビーム径� �波長の半分程度よりも小さくすることは不� �能であるが、LGモード光の内部構造は保存さ れる。したがって、加工装置9において、対� �レンズ32による集光点(加工点)の大きさ、す� ��わち、LGモード光の中央スポット(領域A ₀ )は、回折限界以下の大きさを有することに� �る。このことから、移動ステージ37による被 加工物9の走査ステップを、被加工物9への照� ��時のLGモード光の中央スポット(領域A ₀ )の大きさより小さくすることで、極めて高� �解像度で被加工物9を加工(変性、破壊、等)� �ることができる。なお、移動ステージ37の駆 動には、ピエゾアクチュエータ等を用いて行 うのが望ましい。

 なお、被加工物9の加工点に集光照射され る光は、連続光およびパルス光の何れであっ てもよいが、その加工点を加工し得るだけの 充分な強度を有していることが必要である。 光源装置1に替えて光源装置2が用いられても� ��い。

 本発明に係る光源装置は、一般的であり� ��上述した観察装置や加工装置の他にも多く� ��応用を持つ。例えば、従来から知られてい� ��ようなベッセルビームにより実現できる超� ��像効果は、本発明により置換することが可� ��である。

 続いて、本発明に係る光源装置の第3実施 形態について説明する。図8は、第3実施形態� ��係る光源装置101の断面図である。図9は、第 3実施形態に係る光源装置101の斜視図である� �この図に示される光源装置101は、面発光レ� �ザ素子110および透過型の光位相変調部120を� �える。面発光レーザ素子110は、コヒーレン� �光を出力する光源の一例である。光位相変� �部120は、光位相変調素子の一例である。

 面発光レーザ素子110は、基板111上に順にD BR層112、クラッド層113、コア層114、活性層115� ��コア層116、クラッド層117およびDBR層118が形� ��されたものであり、レーザ発振させるため� ��共振器がDBR層112およびDBR層118により構成さ� ��ている。基板111側にあるDBR層112は発振波長� ��おいて高反射率とされ、他方のDBR層118は発� ��波長において低反射率とされている。

 この面発光レーザ素子110では、駆動電流� ��供給されると活性層115で光が放出され、そ� ��光がDBR層112とDBR層118との間を往復すること� ��より活性層115で誘導放出が生じて、レーザ� ��振する。そして、共振器において発振した� ��の一部は、DBR層118を透過して、上部の出射� ��からレーザ光として出力される。

 光位相変調部120は、面発光レーザ素子110� ��出射面上に設けられ、入力する光のビーム� ��面上の位置に応じて該光を位相変調して透� ��させ、その位相変調後の光を出力する。光� ��相変調部120は、一般に屈折率が異なる複数� ��類の媒質が積層された構造として実現され� ��が、最も簡単な構成としては屈折率が異な� ��2種類の媒質が積層された構造として実現さ れる。

 図10は光位相変調部120の断面図であり、� �11は光位相変調部120の斜視図であり、また、 図12は光位相変調部120の平面図である。光位� ��変調部120は、互い異なる屈折率を有する第1 媒質121および第2媒質122からなる。第1媒質121� ��上面および第2媒質122の下面は互いに平行で ある。第2媒質122の下面は面発光レーザ素子11 0の出射面に接している。第1媒質121および第2 媒質122は、例えば透明なガラスまたは半導体 等の材料からなり、図11および図12に示され� �ように、何れか一方が気体または真空であ� �てもよい。なお、図12においてハッチング領 域は、第2媒質122において凹部となっている� �域である。

 光位相変調部120において、第1媒質121と第2� �質122との境界は段差xの凹凸形状を有してい� ��、この境界における各凹部および各凸部は� ��複数の同心円で区分される円または円環の� ��状を有している。光位相変調部120における� ��差xおよび複数の同心円それぞれの半径r ₁ ,r ₂ ,r ₃ ,…は、透過光に与えられるべき位相変調量� �布から、以下のように決定される。また、� �宜上「r ₀ =0」と定義する。

 図10~図12に示されるように、光位相変調部12 0に入力される光のビーム断面上において、� �定位置を中心とするp個の半径r ₁ ~r _p の各円周によって区分される(p+1)個の領域A ₀ ~A _p を設定する。内側から順に領域A ₀ ,A ₁ ,A ₂ ,…,A _p とする。領域A ₀ は、半径r ₁ の円周の内側の領域である。領域A _i は、半径r _i の円周と半径r _i+1 の円周との間の領域である(i=1,2,3,…,p-1)。領� ��A _p は、半径r _p の円周の外側であって光ビーム(ウェスト半� �w)内の領域である。

 このとき、(p+1)個の領域A ₀ ~A _p それぞれの径方向の幅は、外側の領域ほど広 い。すなわち、半径r ₁ ~r _p の間に上記(1)式の関係式が成り立つ。なお、 最も内側にある領域A ₀ については、半径r ₁ を径方向の幅とする。

 さらに、(p+1)個の領域A ₀ ~A _p それぞれにおいて位相変調量は一定であり、 (p+1)個の領域A ₀ ~A _p のうち隣り合う2つの領域の間で位相変調量� �πだけ異なる。すなわち、偶数番目の領域A ₀ ,A ₂ ,A ₄ ,…それぞれの領域内における位相変調量φ ₀ は一定である。また、奇数番目の領域A ₁ ,A ₃ ,A ₅ ,…それぞれの領域内における位相変調量φ ₁ は一定である。そして、これら位相変調量φ ₀ と位相変調量φ ₁ とは互いにπだけ異なる。

 動径方向rについて設定されるべきp個の半� �r ₁ ~r _p の円周で表される位相不連続線は以下のよう に設定される。位相不連続線は、光強度が0� �なる部分(「節」)に存在する。LGモードの場� ��、光強度分布の節はSonine多項式の零点から� ��めることができる。つまり、上記(2)式で定� ��されるSonine多項式S _p ^q (z)が値0となる変数zの値を求める。なお、pは 、動径指数と呼ばれ、自然数である。また、 qは、偏角指数と呼ばれ、任意の整数である� �

 特に、本実施形態では偏角指数qは値0とさ� �る。このとき、上記(2)式は、上記(3)式で表� �れるLaguerre多項式となる。Laguerre多項式は、p 次の多項式であり、p個の異なる正の実数根a ₁ ~a _p を持つ。これらの根a _i と光ビームウェスト半径wとを用いれば、位� �不連続線の半径r _i は、上記(4)式で表される(i=1,2,3,…,p)。

 このような位相変調φ(r)を光位相変調部120� �より受けて透過された光は、動径指数がpで� ��角指数が0であるLGモード光となる。このLG� �ード光は、位相分布面上に設定した極座標� �における偏角θを固定したとき、位相不連続 線を境界線として接する二つの領域に属する 点における位相値がπの差を持つ。また、(p+1 )個の領域A ₀ ~A _p それぞれの径方向の幅は、外側の領域ほど広 い。

 偶数番目の領域A ₀ ,A ₂ ,A ₄ ,… それぞれの領域内における位相変調量φ ₀ と、奇数番目の領域A ₁ ,A ₃ ,A ₅ ,…それぞれの領域内における位相変調量φ ₁ とを、互いに一定値δφだけ異ならせる為に� �光位相変調部120における第1媒質121と第2媒質 122との境界での凹凸形状の段差xは、下記(5)� �で表される値に設定される。ここで、n ₁ は第1媒質121の屈折率であり、n ₂ は第2媒質122の屈折率であり、λは真空中での 光の波長である。なお、本実施形態では、「 δφ=π」として、段差xが決定される。

 以上のように構成される光源装置101から出� ��される光は、動径指数pで偏角指数0のLGモー ド光となる。このような高次動径指数を有す るLGモード光をレンズにより集光させた場合� ��全体のビーム径を波長の半分程度よりも小� ��くすることは不可能である(回折限界)。し� �し、LGモード光の内部構造は保存されるので 、集光点上において高次動径指数LGモード光� ��中央スポット(領域A ₀ )は回折限界以下の大きさを有することにな� �。

 なお、中央スポット(領域A ₀ )の周囲に存在するリング(サイドローブ、す� ��わち、領域A ₁ ,A ₂ ,A ₃ ,…)は、ベッセルビームと同様の挙動を示し� ��ベッセルビームに関して確立されている技� ��を用いることにより、それらの影響を低減� ��せることも可能である。高次動径指数LGモ� �ド光に特有の性質としては、動径指数pを大� ��くするほど、中央スポット(領域A ₀ )の大きさを小さくすることが可能である点� �挙げられる。

 また、サイドローブ(領域A ₁ ,A ₂ ,A ₃ ,…)の広がりは、ベッセルビームでは理論的� ��無限であるのに対し、高次動径指数LGモー� �光では有限である。このことから、光学系� �径をサイドローブ全体が完全に含まれるよ� �に設定しておくことにより、より理想的な� �件のもとで高次動径指数LGモード光の特性を 利用することができる。

 したがって、この光源装置101は、高解像� ��で被観察物を観察する観察装置や、高解像� ��で被加工物を加工する加工装置において、� ��適に用いられ得る。

 ところで、このような回折限界以下の集� ��径を実現できる光ビームを発生する光源装� ��は、高密度にデータを記録することができ� ��光ディスクに対してデータの書き込み又は� ��み取りを行う光ピックアップ装置に応用す� ��ことも考えられる。

 従来、回折限界以下の集光径を実現でき� ��ビームとして、主に0次ベッセルビームが注 目されてきた。0次ベッセルビームは、アキ� �コンを用いて集光することにより発生され� �ことが知られており、その中央スポット径� �回折限界以下となるものである。あわせて� �光の焦点深度が非常に深いことが特徴で、� �常のビームの焦点深度と比較して非常に広� �範囲において、同一の光強度パターンを有� �ている。ベッセルビームのこの特徴は無回� �伝播ともよばれ、高アスペクト比加工など� �用いられる場合には望ましい特性となるが� �多層記録媒体を読み取るなどの場合には、� �度方向の集光制御を難しくし、好ましくな� �特性となる。

 さらに近年では、高NA集光時に回折限界以� �の集光径を実現する光ビームとして、特殊� �偏光状態に伴う光モードのひとつである動� �方向偏波モード光(radially polarized mode: R-TEM ^*  モードとも表記)も注目されている(非特許� �献7)。しかしながら、このような光ビームで は偏波方向がビーム内の位置に依存して変化 しており、光磁気効果を利用した記録媒質の 読み取りには適さない。何故なら、直線偏光 または楕円偏光の光源が望ましいからである 。さらに、このようなビームを生成するため の従来技術では、レーザ媒質中に複屈折媒質 を挿入するなどの構成が必要とされ、装置と して大型となることは避けられない(非特許� �献8)。

 以上より、光ピックアップ装置への応用� ��考えたとき、集光による伝播特性および偏� ��特性の両面において、偏角指数0のLGモード� ��は他の光ビームよりもより望ましい特性を� ��つと言える。しかし、LGモード光を発生す� �従来の光源装置はいずれも大型であること� �ら、小型化が要求される光ピックアップ装� �に応用することは困難である。

 一方、第3実施形態に係る光源装置101は、 面発光レーザ素子110および光位相変調部120か ら構成されるので小型化可能であり、それ故 、高解像度および小型化が要求される光ピッ クアップ装置においても好適に用いられ得る 。

 なお、これまでに説明してきた第3実施形 態に係る光源装置101は、面発光レーザ素子110 および光位相変調部120を備えるものであって 、面発光レーザ素子110の出射面上に光位相変 調部120が設けられていた。ここで、面発光レ ーザ素子110の出射面が加工されて光位相変調 部120が形成されていてもよいし、或いは、図 13に示されるように別途に形成された光位相� ��調部120が面発光レーザ素子110の出射面に固� ��されていてもよい。後者の場合、光位相変� ��部120は例えば接着剤により面発光レーザ素� ��110の出射面に接着固定される。

 次に、本発明に係る光源装置の第4実施形 態について説明する。図14は、第4実施形態に 係る光源装置102の断面図である。この図に示 される光源装置102は、面発光レーザ素子130の 共振器の内部に光位相変調部140が設けられて いる。

 面発光レーザ素子130は、基板131上に順にD BR層132、クラッド層133、コア層134、活性層135� ��コア層136、クラッド層137およびDBR層138が形� ��されたものであり、レーザ発振させるため� ��共振器がDBR層132およびDBR層138により構成さ� ��ている。基板131側にあるDBR層132は発振波長� ��おいて高反射率とされ、他方のDBR層138は発� ��波長において低反射率とされている。

 光位相変調部140は、面発光レーザ素子130� ��クラッド層137とDBR層138との間に設けられて� ��る。この光位相変調部140は、面発光レーザ� ��子130の共振器内に設けられており、共振器� ��を伝播する光のビーム断面上の位置に応じ� ��該光を位相変調して透過させ、その位相変� ��後の光を出力する。光位相変調部140は、一� ��に屈折率が異なる複数種類の媒質が積層さ� ��た構造として実現されるが、最も簡単な構� ��としては屈折率が異なる2種類の媒質が積層 された構造として実現される。

 第4実施形態における光位相変調部140は、 第3実施形態において図10~図12を用いて説明し た光位相変調部120と同様のものであるが、面 発光レーザ素子130の内部に形成されることか ら、面発光レーザ素子130の材料と同様の材料 である半導体からなるのが好ましい。

 この光源装置102では、駆動電流が供給さ� ��ると活性層135で光が放出され、その光がDBR� ��132とDBR層138との間を往復することにより活� ��層135で誘導放出が生じて、レーザ発振する� ��また、共振器において光が往復する間に光� ��相変調部140を透過する光は、その透過の際� ��ビーム断面上の位置に応じて位相変調を受� ��る。そして、共振器において発振した光の� ��部は、DBR層138を透過して、上部の出射面か� ��レーザ光として出力される。

 光位相変調部140が上記(1)~(5)式の如く設定 されていることにより、光源装置102から出力 される光は、動径指数pで偏角指数0のLGモー� �光となる。したがって、この光源装置102も� �高解像度で被観察物を観察する観察装置や� �高解像度で被加工物を加工する加工装置に� �いて、好適に用いられ得る。また、この光� �装置102も、面発光レーザ素子130および光位� �変調部140から構成されるので小型化可能で� �り、それ故、高解像度および小型化が要求� �れる光ピックアップ装置においても好適に� �いられ得る。

 なお、これまでに説明してきた第4実施形 態に係る光源装置102は、面発光レーザ素子130 の共振器内に光位相変調部140を備えるもので あった。ここで、面発光レーザ素子130の製造 工程の途中に光位相変調部140が一体に形成さ れていてもよいし、或いは、図15に示される� ��うに別途に形成された光位相変調部140およ� ��DBR層138が面発光レーザ素子130(ただし、DBR層 138を除く。)に固定されていてもよい。後者� �場合、光位相変調部140は例えば接着剤によ� �面発光レーザ素子130のクラッド層137に接着� �定される。

 次に、本発明に係る光源装置の第5実施形 態について説明する。図16は、第5実施形態に 係る光源装置103の断面図である。この図に示 される光源装置103は、面発光レーザ素子150の 共振器の内部に光位相変調部160が設けられて いる。

 面発光レーザ素子150は、基板151上に順にD BR層152、クラッド層153、コア層154、活性層155� ��コア層156、クラッド層157およびDBR層158が形� ��されたものであり、レーザ発振させるため� ��共振器がDBR層152およびDBR層158により構成さ� ��ている。基板151側にあるDBR層152は発振波長� ��おいて高反射率とされ、他方のDBR層158は発� ��波長において低反射率とされている。

 光位相変調部160は、面発光レーザ素子150� ��DBR層152とクラッド層153との間に設けられて� ��る。この光位相変調部160は、面発光レーザ� ��子150の共振器内に設けられており、共振器� ��を伝播する光のビーム断面上の位置に応じ� ��該光を位相変調して透過させ、その位相変� ��後の光を出力する。光位相変調部160は、一� ��に屈折率が異なる複数種類の媒質が積層さ� ��た構造として実現されるが、最も簡単な構� ��としては屈折率が異なる2種類の媒質が積層 された構造として実現される。

 第5実施形態における光位相変調部160は、 第3実施形態において図10~図12を用いて説明し た光位相変調部120と同様のものであるが、面 発光レーザ素子150の内部に形成されることか ら、面発光レーザ素子150の材料と同様の材料 である半導体からなるのが好ましい。

 この光源装置103では、駆動電流が供給さ� ��ると活性層155で光が放出され、その光がDBR� ��152とDBR層158との間を往復することにより活� ��層155で誘導放出が生じて、レーザ発振する� ��また、共振器において光が往復する間に光� ��相変調部160を透過する光は、その透過の際� ��ビーム断面上の位置に応じて位相変調を受� ��る。そして、共振器において発振した光の� ��部は、DBR層158を透過して、上部の出射面か� ��レーザ光として出力される。

 光位相変調部160が上記(1)~(5)式の如く設定 されていることにより、光源装置103から出力 される光は、動径指数pで偏角指数0のLGモー� �光となる。したがって、この光源装置103も� �高解像度で被観察物を観察する観察装置や� �高解像度で被加工物を加工する加工装置に� �いて、好適に用いられ得る。また、この光� �装置103も、面発光レーザ素子150および光位� �変調部160から構成されるので小型化可能で� �り、それ故、高解像度および小型化が要求� �れる光ピックアップ装置においても好適に� �いられ得る。

 なお、これまでに説明してきた第5実施形 態に係る光源装置103は、面発光レーザ素子150 の共振器内に光位相変調部160を備えるもので あった。ここで、面発光レーザ素子150の製造 工程の途中に光位相変調部160が一体に形成さ れていてもよいし、或いは、図17に示される� ��うに別途に形成された光位相変調部160およ� ��DBR層152が面発光レーザ素子150(ただし、DBR層 152を除く。)に固定されていてもよい。後者� �場合、光位相変調部160は例えば接着剤によ� �面発光レーザ素子150のクラッド層153または� �板151に接着固定される。また、後者の場合� �基板151を研削して薄肉化し又は基板151の一� �に開口を設けてもよい。

 (変形例)

 本発明は、上記実施形態に限定されるも� ��ではなく、種々の変形が可能である。例え� ��、光位相変調部は、上記実施形態では透過� ��に対して位相変調を与えるものであったが� ��反射光に対して位相変調を与えるものであ� ��てもよい。このような反射型の光位相変調� ��は、面発光レーザ素子の共振器を構成するD BR層において用いられ得る。

 図18は、反射型の光位相変調部170の断面図� �ある。光位相変調部170は、第1媒質171および� ��2媒質172からなり、第1媒質171と第2媒質172と� ��境界が反射面となっている。第1媒質171と第 2媒質172との境界は段差xの凹凸形状を有して� ��て、この境界における各凹部および各凸部� ��、複数の同心円で区分される円または円環� ��形状を有している。光位相変調部170におけ� ��複数の同心円それぞれの半径r ₁ ,r ₂ ,r ₃ ,…は、上記(1)~(4)式の如く設定されている。� ��1媒質171の側から入射した光が境界で反射す る場合を考えると、隣り合う領域の間で位相 変調量を互いに一定値δφだけ異ならせる為� �、光位相変調部170における第1媒質171と第2媒 質172との境界での凹凸形状の段差xは、下記(6 )式で表される値に設定される。ここで、n ₁ は第1媒質171の屈折率であり、n ₂ は第2媒質172の屈折率であり、λは真空中での 光の波長である。なお、「δφ=π」として、� �差xが決定される。

 図19は、反射型の光位相変調部180の断面図� �ある。光位相変調部180は、第1媒質181および� ��2媒質182からなり、第2媒質182の下面が反射� �となっている。第2媒質182の下面に反射コー� ��ィングが施されているのが好ましい。第1媒 質181と第2媒質182との境界は段差xの凹凸形状� ��有していて、この境界における各凹部およ� ��各凸部は、複数の同心円で区分される円ま� ��は円環の形状を有している。光位相変調部1 80における複数の同心円それぞれの半径r ₁ ,r ₂ ,r ₃ ,…は、上記(1)~(4)式の如く設定されている。� ��1媒質181の側から入射した光が境界で反射す る場合を考えると、隣り合う領域の間で位相 変調量を互いに一定値δφだけ異ならせる為� �、光位相変調部180における第1媒質181と第2媒 質182との境界での凹凸形状の段差xは、下記(7 )式で表される値に設定される。ここで、n ₁ は第1媒質181の屈折率であり、n ₂ は第2媒質182の屈折率であり、λは真空中での 光の波長である。なお、「δφ=π」として、� �差xが決定される。

(実施例)
 次に、実施例の光源装置の構成について説� ��する。図20は、本実施例の光源装置の断面� �である。本実施例の光源装置は、上記の第3� ��施形態の構成の変形例に相当するものであ� ��。本実施例の光源装置では、光位相変調部1 20の第1媒質121が空気とされ、光位相変調部120 の第2媒質122の上にp電極191が設けられ、基板1 11の裏面にn電極192が設けられている。また、 コア層114,116は設けられていない。

 基板111は、n ⁺ -GaAsからなる。DBR層112は、n ^- -GaAs(68nm厚)とn ^- -AlAs(82nm厚)とが交互に積層されたものであり� ��各々の層数が20である。クラッド層113は、n ^- -Al _0.45 Ga _0.55 As(71.5nm厚)からなる。活性層115は、In _0.2 Ga _0.8 As(8nm厚)からなる。クラッド層117は、p ^- -Al _0.45 Ga _0.55 As(71.5nm厚)からなる。DBR層118は、p ^- -GaAs(68nm厚)とp ^- -AlAs(82nm厚)とが交互に積層されたものであり� ��各々の層数が20である。第2媒質122は、p ⁺ -GaAs(400nm厚)からなる。

 p電極191は、Cr(50nm厚)/Au(150nm厚)の多層金属 層からなり、光位相変調部120の第2媒質122の� �面に設けられ、特に、凹凸形状とされてい� �第2媒質122の表面のうちでも最外領域にリン� ��状に設けられている。n電極192は、Au(100nm厚) /AuGe(150nm厚)/Ni(50nm厚)の多層金属層からなり、 基板111の裏面の略全体に設けられている。

 光位相変調部120の第2媒質122の表面は、段 差xの凹凸形状を有していて、この境界にお� �る各凹部および各凸部は、複数の同心円で� �分される円または円環の形状を有している� �これら複数の同心円それぞれの半径および� �差xは、前述したように決定される。光位相� ��調部120の第2媒質122の屈折率は3.5であり、段 差xは196nmとされる。

 DBR層112とDBR層118との間の間隔(すなわち、 共振器の共振器長)yは、この間の屈折率およ� ��発振波長に基づいて決定される。クラッド� ��113,117それぞれの屈折率は3.25であり、間隔y� ��151nmとされる。また、DBR層112およびDBR層118� �れぞれにおいて、GaAs層およびAlAs層それぞれ の厚みは、ブラッグ反射波長が発振波長とな るように設定される。

 このように構成される本実施例の光源装� ��では、電極191と電極192との間に駆動電流が� ��給されると、活性層115で光が放出され、そ� ��光がDBR層112とDBR層118との間を往復すること� ��より活性層115で誘導放出が生じてレーザ光� ��振する。そして、共振器において発振した� ��の一部は、DBR層118を透過して、上部の出射� ��から波長890nmのレーザ光として出力される� �そのレーザ光は、光位相変調部120の第2媒質1 22により、ビーム断面上の位置に応じて位相� ��調を受けて、偏角指数0のLGモード光として� ��力される。